物性 ～ 電子の集団が描く多彩な風景 物性研究所 瀧川 仁 物性物理（Condensed Matter Physics)とは 平成２２年度　 物理学専攻修士課程入試ガイダンス 物性研究所　　瀧川　仁 　物性物理（Condensed Matter Physics)とは 　現代物性科学の潮流 　量子多体系としての固体～電子相関の物理 　　　　量子相転移：新奇な量子状態を求めて 　　　　風変わりな素励起：電子が描く点描画 　物性実験の手法：電子を「見る」道具　

物性 ～ ミクロな物理とマクロな現象をつなぐもの 半導体 シリコン バンド構造 磁性体 スピン・バルブ 巨大磁気抵抗効果

現代物性科学の潮流 新物質の合成 ナノ構造・微細加工 １９５０ １９６０ １９７０ １９８０ １９９０ ２０００ X線回折 量子力学の完成 固体電子のバンド理論 トランジスターの発明 １９５０ NMR、ESR １９６０ 超伝導のBCS理論 中性子散乱 １９７０ 希薄磁性合金の近藤効果 レーザー 液体ヘリウム３の超流動 軌道放射光・光電子分光 有機伝導錯体の合成 １９８０ 伝導性高分子の合成 重いｆ電子系化合物の超伝導 ２次元電子系の量子ホール効果 STM、AFM 銅酸化物の高温超伝導 メソスコピック系の量子伝導 １９９０ フラーレン 巨大磁気抵抗効果 量子ドット マンガン酸化物の磁気抵抗 カーボンナノチューブ ２０００ マルチフェロイックス グラフェン スピントロニクス 鉄ヒ素系超伝導体 新物質の合成 ナノ構造・微細加工

量子多体系としての固体 ～ 電子相関の物理 銅酸化物 モット絶縁体 La O Cu La2CuO4 Cu2+: (3d)9 スピン 1/2 クーロン反発力によって電子が局在する。 Cu2+: (3d)9 スピン 1/2 反強磁性状態 La クーロン反発＋パウリ原理 O Cu La2CuO4

量子多体系としての固体 ～ 電子相関の物理 ホールをドープ La3+ Sr2+ 高温超伝導 La O Cu La2CuO4

量子相転移：異なる秩序の競合・共存 鉄ヒ素系超伝導体 SrFe2As2 Sr2+ K+ 金属反強磁性 （常圧） 75As-NMR Sr As 金属反強磁性　（常圧） 鉄ヒ素系超伝導体 75As-NMR Sr スピン磁化率 As マイスナー効果 圧力誘起超伝導　（6.1万気圧） Fe SrFe2As2 Sr2+ K+ 電子ドープ 圧力下で超伝導相と反強磁性相が共存

スピン系の量子相転移 スピン２量体 量子系 古典系 スピン２量体の結合系 BaCuSi2O6 トリプレットのボーズ凝縮 磁場誘起相転移 磁化 磁場に垂直な面内の反強磁性秩序 Sebastian et al., Nature 441 (2006) 617.

スピン系の量子相転移 (II) SrCu2(BO3)2 磁化プラトー状態のＮＭＲスペクトル Shastry-Sutherland モデル 超流動固体？ 磁化プラトー状態のＮＭＲスペクトル トリプレットの局在結晶化 K. Kodama et al., Science 298 (2002) 395.

新奇な量子状態を求めて：フラストレーション スピン・ネマティック（液晶）秩序 カイラリティ秩序 ３角格子 Miyashita Shiba 1984 ＋ － ？ カゴメ格子 Kagomé スピン液体 絶対零度まで何の秩序も示さない（対称性を破らない）磁性体は存在するか？ Resonating Valence Bond RVB

新奇な量子状態を求めて：スピン液体の候補 k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 圧力下で超伝導 Herbertsnithite ZnCu3(OH)6Cl2 ５０ｍKまで相転移なし

固体における素励起 風変わりな素励起 反強磁性体 スピン波 E q 波数 1次元反強磁性体 E q p 素励起＝2個のスピノン 反強磁性体　　　スピン波 E エネルギー q 風変わりな素励起 波数 1次元反強磁性体 E q p 2p ドメイン壁（ソリトン、スピノン） 素励起＝2個のスピノン 1個のスピン反転が2個のスピノンに分離する。 中性子非弾性散乱 Tennant et al., Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 4003

風変わりな素励起 2次元系でスピノンが存在するか？ 正方格子では不可。 フラストレートした格子では可能かも？ 異方的 ３角格子 異方的カゴメ格子 Cs2CuCl4 Cu3V2O7(OH)2・2H2O R. Coldea (2003) 中性子非弾性散乱

風変わりな素励起：磁気単極子 氷 Dy2Ti2O7 スピンアイス （残留エントロピー） 2-in-2-out 素励起（準粒子）＝磁気単極子？ スピンアイス　（残留エントロピー） パイロクロア格子 強磁性相互作用 1軸性異方性 氷 2-in-2-out 3-in-1-out 2-in-2-out S N 素励起（準粒子）＝磁気単極子？ Castelonovo, Moessner, Sondhi, Nature 451 (2008) 42

物性実験の手法：電子を「見る」道具 物質合成：新物質探索、単結晶育成 新しい量子状態を引き出す環境 磁場、圧力、電場 基礎的物性：電気抵抗、磁化、比熱 中性子散乱用原子炉（原子力研究機構） 散乱実験：（共鳴）Ｘ線・中性子散乱、 　　　　　　　光（ラマン）散乱 分光測定：NMR, ESR, mSR, STM, 　　　　　　　光電子分光、光学伝導度 熱的特性、周期構造、局所構造、エネルギースペクトル NbSe2の電荷密度波状態のSTM像（物性研・長谷川研） 物質合成：新物質探索、単結晶育成 極低温磁化測定装置（物性研・榊原研） CsOs2O6パイロクロア酸化物の単結晶（物性研・廣井研） レーザー光電子分光装置（物性研・辛研） 新しい量子状態を引き出す環境 磁場、圧力、電場 NMR用１０万気圧級対向アンビル圧力セルと2軸回転機構（物性研・瀧川研）

強相関電子系が描く点描画